Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa đóng vai trò then chốt trong hoạt động sản xuất công nghiệp nhằm nâng cao năng suất lao động, tăng cường độ chính xác và tối ưu hóa hiệu quả vận hành. Trong chuỗi cung ứng và sản xuất, công tác lưu trữ và bảo quản hàng hóa là mắt xích cấp thiết. Phương thức quản lý kho bãi truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế: chiếm dụng diện tích mặt bằng lớn, phụ thuộc vào các loại máy móc nâng hạ cồng kềnh, tiềm ẩn rủi ro tai nạn lao động trong quá trình vận hành, đồng thời việc ghi chép và lưu trữ thông tin thủ công bởi con người đòi hỏi mức độ tập trung cao nhưng vẫn dễ phát sinh sai sót, dẫn đến độ tin cậy và tính chính xác không cao. Trước yêu cầu thực tiễn đó, đề tài "Điều khiển và giám sát mô hình kho hàng" được thực hiện nhằm nghiên cứu và xây dựng giải pháp tự động hóa quá trình vận hành, lưu trữ và giám sát kho hàng.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm:

  1. Nghiên cứu ứng dụng của bộ điều khiển lập trình PLC và hệ thống động cơ Servo trong điều khiển hệ thống kho hàng tự động.
  2. Thiết kế và thi công mô hình kho hàng tự động.
  3. Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát SCADA trên máy tính.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành hai nhóm công việc:

  • Nhiệm vụ lý thuyết:
    1. Nghiên cứu tổng quan về các hệ thống kho hàng tự động trong công nghiệp.
    2. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động của PLC Siemens S7-1200.
    3. Nghiên cứu môi trường lập trình tích hợp TIA Portal V14 và tính năng điều khiển chuyển động (Motion Control).
    4. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, vận hành và phương pháp điều khiển động cơ AC Servo bằng PLC S7-1200.
  • Nhiệm vụ thiết kế và thi công:
    1. Thiết kế bản vẽ cơ khí 3D cho mô hình khung hàng và cơ cấu nâng 3 trục.
    2. Thi công hoàn thiện kết cấu cơ khí và lắp đặt hệ thống điện cho mô hình.
    3. Xây dựng chương trình điều khiển cho PLC S7-1200 bằng phần mềm TIA Portal V14.
    4. Thiết kế giao diện SCADA phục vụ giám sát và điều khiển vận hành hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 (CPU 1215C DC/DC/DC), phần mềm TIA Portal V14 (Simatic Step 7 và WinCC), hệ thống động cơ AC Servo kèm bộ điều khiển Driver, động cơ DC và hệ thống cảm biến quang/hồng ngoại.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đề tài giới hạn trong việc xây dựng mô hình kho hàng thực nghiệm với khung kệ gồm 16 ô chứa hàng; sử dụng động cơ servo điều khiển định vị tọa độ các trục chuyển động; nhận diện sự hiện diện của hàng hóa bằng cảm biến hồng ngoại; thực hiện việc quản lý và truy xuất sản phẩm thông qua mã hàng được nhập từ giao diện điều khiển khi thực hiện quy trình nhập hoặc xuất kho.
  • Kế hoạch thực hiện: Đề tài được triển khai trong thời gian 15 tuần (từ ngày 12/03/2018 đến ngày 14/07/2018).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập nền tảng lý thuyết dựa trên các khối kiến thức chuyên ngành tự động hóa, điều khiển truyền động và giám sát công nghiệp:

  • Hệ thống lưu kho tự động: Phân tích ba mô hình lưu kho phổ biến gồm hệ thống bán tự động (sử dụng xe nâng kết hợp giá kệ cao), hệ thống lưu kho sử dụng robot tự hành (AGV dò line vận chuyển pallet) và hệ thống lưu kho sử dụng khung nâng XYZ (cơ cấu 3 bậc tự do tương tự máy CNC). Khóa luận lựa chọn cấu trúc khung nâng XYZ nhờ khả năng di chuyển linh hoạt, định vị chính xác, tải trọng phù hợp và chi phí đầu tư khả thi.
  • Bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200: Khảo sát cấu trúc phần cứng của PLC (khối nguồn, CPU xử lý, các loại bộ nhớ ROM, EPROM, EEPROM, khối ngõ vào/ra số DI/DO, ngõ vào/ra tương tự AI/AO), chu kỳ quét của PLC (dao động từ 1 đến 25 ms gồm quét đầu vào, thực thi chương trình và cập nhật đầu ra). Khóa luận đi sâu vào dòng CPU 1215C DC/DC/DC tích hợp sẵn 14 DI, 10 DO, 2 AI, 2 AO cùng cổng truyền thông PROFINET hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP; khả năng mở rộng qua Signal Board (SB), Signal Module (SM) và Communication Board (CM).
  • Mạch ghép nối I/O và cảm biến: Khái niệm kết nối Sinking (chân chung nối cực âm nguồn) và Sourcing (chân chung nối cực dương nguồn); nguyên lý phối ghép cảm biến tiệm cận chuẩn NPN (nối Sourcing với PLC) và PNP (nối Sinking với PLC) thông qua cấu trúc mạch bảo vệ cách ly quang (optocoupler) ở đầu vào PLC.
  • Điều khiển chuyển động (Motion Control): Khai thác công nghệ Technology Objects (TO_Axis_PTO) trên phần mềm TIA Portal V14 để phát xung điều khiển (Pulse/Direction). Cấu hình các thông số cơ bản (nguồn phát xung, chân hướng, đơn vị vị trí) và thông số mở rộng (tỷ số truyền Mechanics, giới hạn hành trình phần cứng Hardware Limit và giới hạn mềm Software Limit, thông số động học Dynamics, cùng các phương pháp về gốc tọa độ Homing gồm Active Homing, Passive Homing, Direct Homing Absolute và Relative).
  • Khối lệnh lập trình: Phân loại hệ thống tập lệnh cơ bản (bit logic, bộ định thời Timer, bộ đếm Counter, toán học, di chuyển dữ liệu), tập lệnh thời gian thực (T_CONV, T_ADD, T_SUB, T_COMBINE, RD_SYS_T, RD_LOC_T, WR_SYS_T) và khối hàm Motion Control tiêu chuẩn (MC_Power, MC_Reset, MC_Home, MC_MoveAbsolute, MC_JOG).
  • Động cơ AC Servo và bộ điều khiển Driver: Cấu tạo rotor nam châm vĩnh cửu tạo mô-men lớn trong kích thước nhỏ gọn; bộ mã hóa quang vòng quay (Encoder tuyệt đối) phản hồi vị trí và tốc độ về Driver; giao tiếp nhận xung điều khiển qua các chân tín hiệu jack CN1/CNA.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai theo quy trình kỹ thuật thực nghiệm:

  1. Nghiên cứu tài liệu lý thuyết chuyên sâu về kiến trúc PLC S7-1200, tập lệnh Motion Control và cấu hình Driver AC Servo.
  2. Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm cơ khí và thiết kế sơ đồ đấu nối nguyên lý mạch điện điều khiển.
  3. Chế tạo khung cơ khí, lắp ráp hệ truyền động trục vít/thanh trượt và thi công tủ điện điều khiển.
  4. Lập trình chương trình điều khiển trên TIA Portal V14 và thiết kế giao diện vận hành SCADA WinCC V14.
  5. Chạy thử nghiệm thực tế, đo đạc sai số định vị, hiệu chỉnh tham số điều khiển và tối ưu hóa chu trình xuất/nhập hàng.

Nguồn dữ liệu nghiên cứu: Tài liệu kỹ thuật hệ thống Simatic S7-1200 và TIA Portal của hãng Siemens; tài liệu hướng dẫn lắp đặt, vận hành Driver AC Servo; cùng các tài liệu học thuật về điều khiển tự động và máy điện chuyên ngành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh công nghiệp hóa, nêu rõ thực trạng và các bất cập trong công tác quản lý kho bãi thủ công truyền thống. Tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi giới hạn của đề tài (mô hình 16 ô hàng, điều khiển 3 trục) và phân chia các nhiệm vụ lý thuyết cũng như thiết kế thi công cụ thể. Chương này cũng công bố bảng kế hoạch nghiên cứu chi tiết gồm 8 giai đoạn phân bổ trong 15 tuần thực hiện (Bảng 1.1), từ bước khảo sát phương án ban đầu, mua sắm vật tư, thi công cơ khí từng trục (X, Y, Z), đấu nối mạch điện, cấu hình Motion Control, lập trình TIA Portal, thiết kế SCADA cho đến giai đoạn chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hoàn thiện.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp hệ thống lý thuyết toàn diện làm cơ sở cho việc triển khai đồ án:

  • Phân tích và so sánh ba mô hình nhà kho tự động: kho bán tự động (Hình 2.1), kho sử dụng robot (Hình 2.2) và kho sử dụng khung nâng XYZ (Hình 2.3), từ đó lập luận việc lựa chọn khung nâng XYZ cho mô hình nghiên cứu.
  • Trình bày lịch sử phát triển, cấu trúc phần cứng (Hình 2.4) và chu kỳ quét của PLC (Hình 2.5).
  • Khảo sát các dòng PLC của Siemens (Logo, S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200) và bảng so sánh đặc tính kỹ thuật các dòng CPU S7-1200 (1211C, 1212C, 1214C, 1215C, 1217C). Chi tiết hóa cấu trúc CPU 1215C DC/DC/DC (Hình 2.10) và mạch ngõ vào số DI (Hình 2.11).
  • Phân tích nguyên lý kết nối Sinking và Sourcing (Hình 2.8), cùng sơ đồ đấu nối cảm biến NPN và PNP với ngõ vào PLC (Hình 2.9, Hình 2.12).
  • Trình bày môi trường TIA Portal, các bước khởi tạo và cấu hình trục chuyển động TO_Axis_PTO trong mục Technology Objects (Hình 2.13, 2.14, 2.15); phân tích chi tiết quy trình về gốc tọa độ Home chủ động qua 3 pha chuyển động (Hình 2.16).
  • Hệ thống hóa các bảng tham số chi tiết của tập lệnh thời gian thực (T_CONV, T_ADD, T_SUB, T_COMBINE, RD_SYS_T, RD_LOC_T, WR_SYS_T - Bảng 2.2 đến 2.7) và các khối hàm Motion Control (MC_Power, MC_Reset, MC_Home, MC_MoveAbsolute, MC_JOG - Bảng 2.8 đến 2.12).
  • Khái quát cấu tạo động cơ AC Servo (Hình 2.28), bộ mã hóa Encoder phản hồi và sơ đồ khối mạch nhận phát xung của Driver Servo (Hình 2.30, 2.31, 2.33).

Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình

Chương 3 tập trung vào quá trình hiện thực hóa mô hình phần cứng:

  • Thiết kế cơ khí: Xây dựng bản vẽ 3D tổng thể khung chứa hàng 16 ô (Hình 3.1) và bản vẽ 3D cơ cấu nâng 3 trục X-Y-Z (Hình 3.2).
  • Thiết kế phần điện: Xây dựng sơ đồ khối kết nối các thiết bị (Hình 3.3). Lựa chọn thiết bị gồm bộ nguồn tổ ong 24VDC (Hình 3.4), PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC (Hình 3.5, 3.6), động cơ và Driver AC Servo kèm sơ đồ chân kết nối jack CN1, jack CNA và sơ đồ cấp nguồn (Hình 3.7 đến 3.11, Bảng 3.4), động cơ DC dẫn động cơ cấu gắp hàng trục Z (Hình 3.12) cùng cảm biến hồng ngoại nhận diện vật thể (Bảng 3.2).
  • Tính toán tỷ số Gear điện tử cho Driver động cơ Servo để quy đổi chính xác số xung phát ra từ PLC tương ứng với cự ly dịch chuyển dài của trục.
  • Quá trình thi công thực tế: Trình bày các công đoạn chế tạo khung đỡ, dẫn hướng trục X, trục Y (Hình 3.14), lắp ráp cơ cấu trục Z (Hình 3.15), hoàn thiện cụm khung nâng (Hình 3.16) và toàn bộ mô hình vật lý hoàn chỉnh (Hình 3.17).

Chương 4: Điều khiển và giám sát mô hình

Chương 4 mô tả toàn bộ giải pháp phần mềm và giải thuật điều khiển:

  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho quy trình nhập hàng (Hình 4.1), quy trình xuất hàng (Hình 4.2) và lưu đồ tổng thể chương trình điều khiển (Hình 4.3).
  • Cấu trúc chương trình PLC thành các khối hàm chức năng chuyên biệt:
    • FB Access (Hình 4.4, Bảng 4.4): Quản lý tài khoản đăng nhập và phân quyền truy cập hệ thống.
    • FB Checking (Hình 4.5, Bảng 4.5): Kiểm tra vị trí ô trống, kiểm tra sự tồn tại của mã hàng và trạng thái ô nhớ.
    • FB MDC_Control (Hình 4.6, Bảng 4.6): Xử lý tín hiệu điều khiển động cơ chấp hành và liên động chuyển động các trục.
    • FB PICK&PLACE (Hình 4.7, Bảng 4.7): Điều khiển chu trình phối hợp gắp hàng từ bàn tiếp nhận đưa vào kệ hoặc rút hàng từ kệ đưa ra cửa xuất.
    • DB Status (Bảng 4.8): Khối dữ liệu lưu trữ toàn bộ trạng thái hoạt động của hệ thống và bảng dữ liệu 16 ô hàng.
  • Thiết kế giao diện SCADA trên WinCC V14 gồm 6 màn hình chức năng: Màn hình Login đăng nhập (Hình 4.8), Màn hình Home giám sát tổng thể (Hình 4.9), Màn hình Alarm thông báo sự cố (Hình 4.10), Màn hình Xuất/Nhập hàng (Hình 4.11), Màn hình Layout kho hàng hiển thị 16 ô (Hình 4.12) và Màn hình Điều khiển trục ở chế độ Manual (Hình 4.13).

Chương 5: Kết quả và hướng phát triển đề tài

Chương 5 đánh giá mức độ hoàn thành so với các mục tiêu ban đầu đặt ra: hệ thống cơ khí vận hành ổn định, cơ cấu 3 trục định vị chính xác theo tọa độ lập trình, chương trình PLC S7-1200 và giao diện WinCC đáp ứng đúng logic quy trình nhập/xuất kho tự động. Đồng thời, tác giả đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm phát triển và mở rộng mô hình trong các nghiên cứu tiếp theo.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ kết nối

Mô hình hệ thống lưu kho tự động được xây dựng dựa trên sự liên kết giữa ba khối thành phần chính:

Khối thành phần Thiết bị & Phần cứng sử dụng Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
Khung cơ khí & Dẫn động Khung kệ 16 ô, bộ dẫn hướng trục X-Y-Z, động cơ DC gắp hàng Tạo kết cấu lưu trữ dạng ma trận 16 vị trí; thực hiện chuyển động tịnh tiến theo 3 trục tọa độ
Điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-1200 (CPU 1215C DC/DC/DC), Nguồn 24VDC Xử lý logic toàn hệ thống, phát xung PTO điều khiển vị trí, xử lý tín hiệu cảm biến và truyền thông
Truyền động & Cảm biến Động cơ AC Servo + Driver, Cảm biến hồng ngoại, Công tắc hành trình Định vị tọa độ chuyển động trục X-Y với độ chính xác cao; nhận diện vật thể và giới hạn hành trình

Hệ thống điện sử dụng nguồn 24VDC làm nguồn cấp chính cho PLC, cảm biến và mạch điều khiển Driver. Ngõ vào số (DI) của PLC CPU 1215C được đấu nối theo kiểu Sourcing (chân chung 1M nối cực dương nguồn) để tương thích với tín hiệu ngõ ra từ cảm biến quang/hồng ngoại chuẩn NPN. Ngõ ra số (DO) dạng Transistor của PLC chịu trách nhiệm phát các chuỗi xung tốc độ cao PTO và tín hiệu mức logic điều khiển hướng chuyển động đưa vào các chân nhận tín hiệu của jack CN1 trên Driver AC Servo.

Cấu hình Motion Control và các khối hàm chức năng

Chương trình điều khiển được tổ chức trên môi trường TIA Portal V14 thông qua việc cấu hình Technology Objects cho từng trục chuyển động. Các khối hàm chuẩn của khối công nghệ Motion Control và các khối hàm tự xây dựng được phân định rõ ràng:

Tên khối lệnh / Hàm Phân loại Chức năng chi tiết trong chương trình
MC_Power Motion Control Cho phép hoặc vô hiệu hóa hoạt động của trục chuyển động (Enable, StopMode)
MC_Reset Motion Control Thực hiện xóa lỗi trạng thái và khởi tạo lại trục sau khi xảy ra sự cố
MC_Home Motion Control Xác lập tọa độ gốc (Home) vật lý cho trục thông qua chế độ Active Homing (Mode = 3)
MC_MoveAbsolute Motion Control Điều khiển trục di chuyển tịnh tiến đến tọa độ tuyệt đối xác định theo vận tốc cài đặt
MC_JOG Motion Control Cho phép điều khiển trục chạy bằng tay (Manual) theo hai chiều âm/dương để kiểm tra
FB Access Function Block Xử lý đăng nhập tài khoản người vận hành và kiểm tra phân quyền bảo mật
FB Checking Function Block Quét kiểm tra trạng thái ô trống trong kho và xác thực mã hàng khi nhập/xuất
FB MDC_Control Function Block Điều phối hoạt động của các cơ cấu chấp hành và động cơ phụ trợ
FB PICK&PLACE Function Block Thực thi tự động toàn bộ chuỗi động tác tiếp nhận, gắp, nâng hạ và trả hàng vào ô
DB Status Data Block Vùng nhớ dữ liệu trung tâm lưu trữ trạng thái chi tiết của 16 ô hàng và hệ thống

Quy trình vận hành và hệ thống giao diện SCADA

Giải thuật vận hành hệ thống được xây dựng theo hai chu trình khép kín:

  • Quy trình nhập hàng: Khi kiện hàng được đặt vào vị trí nhận hàng, cảm biến hồng ngoại kích hoạt phát hiện có hàng -> Người vận hành nhập mã hàng thông qua giao diện SCADA -> Khối FB Checking tiến hành quét tìm ô còn trống trong 16 ô chứa -> FB PICK&PLACE kích hoạt lệnh MC_MoveAbsolute điều khiển cơ cấu di chuyển đến bàn nhận -> Động cơ DC trục Z thực hiện kéo kiện hàng vào cơ cấu nâng -> Trục X và Y chuyển động đồng thời đưa hàng đến vị trí tọa độ của ô trống được chỉ định -> Cơ cấu trục Z đẩy hàng vào ô -> Dữ liệu mã hàng và trạng thái ô được lưu vào DB Status, giao diện SCADA cập nhật màu sắc hiển thị ô có hàng.
  • Quy trình xuất hàng: Người vận hành nhập mã hàng cần lấy trên giao diện SCADA -> FB Checking đối chiếu mã hàng trong DB Status để truy xuất tọa độ ô chứa -> Khung nâng di chuyển đến đúng vị trí ô hàng -> Cơ cấu gắp trục Z rút hàng ra khỏi kệ -> Khung nâng di chuyển đưa hàng về cửa xuất -> Kiện hàng được đẩy ra bàn giao nhận -> DB Status xóa dữ liệu mã hàng tại ô tương ứng, giải phóng ô nhớ về trạng thái trống trên SCADA.

Hệ thống giám sát SCADA phát triển trên WinCC V14 cung cấp 6 màn hình chuyên dụng:

  1. Màn hình Login: Xác thực tài khoản người vận hành để đảm bảo an toàn truy cập.
  2. Màn hình Home: Hiển thị tổng quan trạng thái kết nối và các nút truy cập nhanh vào các phân hệ.
  3. Màn hình Xuất/Nhập: Giao diện tiếp nhận thao tác nhập mã hàng, kích hoạt lệnh chạy tự động và hiển thị trạng thái xử lý đơn hàng.
  4. Màn hình Kho hàng: Trực quan hóa sơ đồ mặt bằng 16 ô chứa hàng với mã màu phân định ô trống và ô đang chứa hàng kèm mã sản phẩm.
  5. Màn hình ĐK trục: Cung cấp các phím điều khiển chạy Jog từng trục, theo dõi tọa độ thực tế và vận tốc phục vụ hiệu chỉnh cơ khí.
  6. Màn hình Alarm: Ghi nhận danh sách cảnh báo sự cố, lỗi quá hành trình hoặc lỗi giao tiếp phần cứng theo thời gian thực.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành các mục tiêu kỹ thuật đề ra với các kết quả cụ thể:

  • Về phần cứng: Chế tạo thành công mô hình kho hàng 16 ô với kết cấu cơ khí 3 trục X-Y-Z hoạt động ổn định, êm ái, đảm bảo độ cứng vững và độ chính xác hình học cần thiết cho việc vận chuyển hàng hóa thu nhỏ.
  • Về điều khiển: Ứng dụng thành công khối công nghệ Motion Control của PLC Siemens S7-1200 (CPU 1215C) để phát xung PTO điều khiển định vị chính xác vị trí động cơ AC Servo. Xây dựng hoàn chỉnh các khối hàm cấu trúc (FB Access, FB Checking, FB MDC_Control, FB PICK&PLACE, DB Status) đảm bảo hệ thống vận hành tự động theo đúng giải thuật lưu kho.
  • Về giám sát: Thiết kế hoàn chỉnh giao diện SCADA trên nền tảng WinCC V14 tích hợp 6 màn hình chức năng, cho phép theo dõi thời gian thực trạng thái kho bãi, quản lý mã sản phẩm, điều khiển thủ công và cảnh báo lỗi.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất trong đồ án:

  • Sử dụng phương pháp kết nối Sourcing cho các đầu vào DI của PLC CPU 1215C để phối hợp đồng bộ với cảm biến chuẩn NPN.
  • Thiết lập quy trình về gốc tọa độ Homing chủ động kết hợp đồng thời giới hạn hành trình bằng phần cứng (công tắc hành trình) và giới hạn hành trình bằng phần mềm (Software Limit Switch) nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho cơ cấu cơ khí khi vận hành.

Đóng góp của đề tài:

  • Khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp tự động hóa lưu kho dạng khung nâng XYZ sử dụng PLC Siemens và động cơ AC Servo đối với các ứng dụng công nghiệp vừa và nhỏ.
  • Cung cấp tài liệu thiết kế, sơ đồ nguyên lý mạch điện và cấu trúc chương trình điều khiển Motion Control chi tiết, làm nền tảng tham khảo thực hành kỹ thuật cho việc xây dựng các hệ thống điều khiển định vị nhiều trục.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Quy mô mô hình dừng lại ở mức độ thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với 16 ô chứa hàng và kích thước, tải trọng nâng hạn chế.
  • Cơ cấu nâng sử dụng hệ khung đơn, do đó khi hệ thống gặp sự cố cơ khí hoặc bảo trì thì toàn bộ hoạt động xuất nhập kho phải tạm dừng.
  • Việc nhận diện sản phẩm vẫn yêu cầu thao tác nhập mã hàng thủ công từ bàn phím trên giao diện SCADA, chưa tích hợp module đọc mã tự động tại cổng tiếp nhận.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

  • Mở rộng quy mô giá kệ chứa hàng với số lượng ô lớn hơn và nâng cấp kết cấu cơ khí để chịu được tải trọng hàng hóa công nghiệp thực tế.
  • Tích hợp thêm các thiết bị nhận dạng tự động như đầu đọc mã vạch (Barcode Scanner), đầu đọc mã QR hoặc công nghệ nhận dạng qua sóng vô tuyến (RFID) tại bàn nhận/xuất hàng để tự động hóa hoàn toàn khâu định danh sản phẩm.
  • Mở rộng kết nối cơ sở dữ liệu kho hàng với hệ thống quản trị sản xuất cấp cao hơn (MES/ERP) hoặc kết nối qua nền tảng Internet of Things (IoT) phục vụ quản lý và giám sát từ xa.
  • Nghiên cứu cơ chế vận hành kết hợp nhiều khung nâng độc lập hoặc phối hợp với hệ thống robot tự hành AGV nhằm tăng năng suất vận chuyển và bảo đảm tính liên tục của dây chuyền kho bãi.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Toàn bộ quy trình thiết lập, cấu hình đối tượng công nghệ TO_Axis_PTO và kỹ thuật sử dụng tập lệnh Motion Control (MC_Power, MC_Home, MC_MoveAbsolute, MC_JOG) trên phần mềm TIA Portal V14.
  • Sơ đồ đấu nối chi tiết chân tín hiệu điều khiển Driver AC Servo (jack CN1, CNA) với ngõ ra Transistor của PLC Siemens S7-1200 và phương pháp ghép nối mạch ngõ vào số Sinking/Sourcing với cảm biến NPN/PNP.
  • Phương pháp module hóa chương trình PLC thông qua các Function Block (FB) và Data Block (DB) để giải quyết bài toán điều khiển logic tuần tự và quản lý cơ sở dữ liệu mảng ô nhớ.
  • Cấu trúc thiết kế giao diện SCADA công nghiệp trên WinCC phục vụ giám sát vị trí và hiển thị trực quan trạng thái kho hàng.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình kho hàng trong đề tài sử dụng cấu trúc lưu kho nào và có dung lượng lưu trữ bao nhiêu ô? Hệ thống sử dụng cấu trúc lưu kho dạng khung nâng XYZ (3 bậc tự do tương tự máy CNC) với khung kệ được chia thành 16 ô chứa hàng bố trí theo dạng ma trận.

2. Bộ điều khiển trung tâm và phần mềm lập trình nào được sử dụng để điều khiển hệ thống? Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 dòng CPU 1215C DC/DC/DC, được lập trình và cấu hình đồng bộ trên nền tảng phần mềm TIA Portal V14 (tích hợp Simatic Step 7 V14 để lập trình PLC và WinCC V14 để thiết kế giao diện SCADA).

3. Động cơ AC Servo của các trục chuyển động được điều khiển bằng phương pháp nào từ PLC? Động cơ AC Servo được điều khiển định vị vị trí thông qua ngõ ra phát xung tốc độ cao PTO (Pulse Train Output) và tín hiệu điều khiển hướng (Direction) của PLC S7-1200, thông qua cấu hình đối tượng công nghệ TO_Axis_PTO và các khối lệnh Motion Control tiêu chuẩn trên TIA Portal V14.

4. Chương trình điều khiển PLC được phân chia thành những khối hàm chức năng (FB) cụ thể nào? Chương trình được tổ chức thành 4 khối hàm chính: FB Access (quản lý đăng nhập và phân quyền), FB Checking (quét kiểm tra ô trống và xác thực mã hàng), FB MDC_Control (điều khiển các cơ cấu chấp hành động cơ), FB PICK&PLACE (điều phối chu trình gắp và đặt hàng tự động), cùng khối dữ liệu DB Status (lưu trạng thái 16 ô hàng và hệ thống).

5. Giao diện SCADA trên WinCC V14 cung cấp những màn hình chức năng nào cho người vận hành? Giao diện WinCC V14 bao gồm 6 màn hình chức năng: Màn hình Login (đăng nhập bảo mật), Màn hình Home (tổng quan hệ thống), Màn hình Alarm (cảnh báo sự cố), Màn hình Xuất/Nhập (quản lý lệnh xuất nhập và nhập mã hàng), Màn hình Kho hàng (hiển thị trạng thái màu sắc 16 ô hàng) và Màn hình ĐK trục (điều khiển kiểm tra chạy Jog thủ công từng trục).

Kết luận

Đồ án "Điều khiển và giám sát mô hình kho hàng" của tác giả Hà Nhật Hưng và Phạm Y Khoa đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa lưu kho thông qua việc thiết kế cơ khí 3 trục tọa độ và tích hợp hệ thống điều khiển PLC Siemens S7-1200 kết hợp động cơ AC Servo. Việc làm chủ công nghệ Motion Control trên TIA Portal V14 và xây dựng hệ thống SCADA WinCC trực quan giúp mô hình 16 ô hàng vận hành chính xác, ổn định theo đúng các quy trình xuất/nhập mã hàng tự động. Đề tài đóng góp một giải pháp thực nghiệm hoàn chỉnh, có giá trị học thuật và ứng dụng cao cho việc nghiên cứu, đào tạo trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp và điều khiển chuyển động.